CC BY
46
УДК 621.9.047
МЕХАНИЗМ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОДОМ - ЩЁТКОЙ А.Ю. Рязанцев, О.Н. Кириллов
В статье рассмотрен механизм удаления припуска электродом-щёткой при комбинированной чистовой обработке деталей с ограниченной жёсткостью. Теоретически обоснованы силовые воздействия на обрабатываемую заготовку, что позволяет управлять режимами обработки, обеспечивающими требуемую точность обработки в зависимости от жесткости профиля детали в зоне обработки. Раскрыта специфика применения инструмента при чистовой обработке деталей с ограниченной жесткостью
Ключевые слова: комбинированная обработка, механизм процесса, электрод-щётка, чистовая обработка, ограниченная жесткость
Чистовая размерная обработка металлических заготовок успешно выполняется шлифованием абразивным инструментом, где его профиль дискретно переносится на поверхность детали. Однако, с усложнением обрабатываемых объектов и снижением их металлоёмкости уменьшается жёсткость заготовки и силовые воздействия инструмента вносят погрешности геометрической формы, снижая возможности по достижению высотой точности. Это, особо, проявляется при изготовлении изделий для летательных аппаратов, где с целью облегчения конструкции широко применяют ажурные детали с малой жёсткостью.
Появившиеся в последние годы инструменты с непрофилированной и изменяемой, в процессе обработки, рабочей частью позволили выполнять чистовую обработку нежёстких деталей со сложным профилем. К таким инструментам относится металлическая электрод - щётка, которая успешно применяется для безразмерной обработки сложноконтурных поверхностей.
Проведённые исследования показали, что возможно расширить область использования технологии и инструмента на размерную, чистовую обработку труднообрабатываемых сплавов, применяемых для сложноконтурных изделий малой жёсткости, путём поддержания требуемого прижима пучков проволоки в электроде -щётке и совмещения электрических режимов процесса с параметрами инструмента. Это обеспечивает стабилизацию процесса, повышение технологических показателей и позволяет освоить высокопроизводительную чистовую обработку изделий с минимальной металлоёмкостью. Подобная задача решается впервые и её
Рязанцев Александр Юрьевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Кириллов Олег Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
результаты способствуют созданию изделий новых поколений техники, что актуально для машиностроения.
В основу исследований механизма положены научные гипотезы:
1. Диаметр проволоки электрода-щётки определяется не только из условия получения за счёт центробежных сил радиального положения при обработке, но и сохранения устойчивости от действия сил разряда при подходе её к месту контакта с заготовкой.
2. Количество проволоки в пучке определяет закономерности съёма материала с заготовки и необходима, научно обоснованная, методика расчёта этого параметра электрода - щётки.
3. Электрические режимы обработки зависят от геометрических параметров электрода -щётки и должны назначаться в зависимости от формы и жёсткости поверхности обработки заготовки для обеспечения стабильной величины прижима пучков проволоки к заготовке.
4. Деионизация межэлектродного пространства при высокоскоростном вращении электрода - щётки обеспечивает возможность за период сближения пучка с зоной обработки получение количества разрядов, близкого к числу проволоки в пучке, что позволяет установить суммарную силу воздействия разряда на электроды.
5. За счёт центробежных сил, при достаточной окружной скорости электрода - щётки, проволока принимает положение, близкое к радиальному и при продольном воздействии на неё силы импульса разряда не может возникнуть многократного поперечного изгиба по её длине.
6. Принятая в ранее выполненных работах методика поддержания величины прижима, по постоянству технологического тока не может обеспечить стабильности протекания процесса. Из-за изменения, за счёт изгиба площади кон-
такта пучков проволоки, с заготовкой и требуется новый способ управления прижимом.
Взаимодействие инструмента с зоной обработки заготовки.
Обработка электродом-щеткой включает несколько видов воздействий:
1. Силу от импульса разряда в момент подхода пучка к зоне обработки (рис. 1).
п
Рис. 1. Процесс начала обработки пучком проволоки в жидкой рабочей среде 4, S0 - зазор между электродами в момент набегания проволоки 3 на заготовку 2 и
начала разряда, ^ 1- сила, возникающая в момент разряда
Ограничением этого этапа является размер пучка и шаг между пучками, где необходимо, чтобы первый пучок полностью вышел из зоны обработки до того, как возникнет касание заготовки следующим пучком. При этом размер сечения (диаметр) пучка должен быть минимальным.
2. Очистку зоны обработки концами проволоки (рис.2), где касание обеспечивается сближением концов проволоки с заготовкой на величину как минимум гарантированного прижима
Прг.
Рис. 2. Зачистка поверхности заготовки механическим воздействием концов проволоки (3), 5 - окислы, пленки и другие материалы на поверхности обрабатываемой детали, а - схема зачистки, б - удаление загрязнений
Такой этап позволяет подготовить поверхность к анодному удалению припуска после выхода пучка из зоны обработки
Отсюда следуют технологические рекомендации по выбору прижима (не менее Прг , но не более касания боковой поверхностью изогнутой проволоки обрабатываемой поверхности). Как правило, для рассчитанного инструмента прижим Пр =0,2^0,6 мм. Кроме того, для обеспечения требуемой для анодного процесса скорости прокачки рабочей среды (V на рис.3) необходимо, чтобы концы пучков механически прокачивали и ускоряли течение рабочей среды, поэтому вращение электрода-щетки назначать по направлению, обратному подаче инструмента.
1-1
а)
3 4
112
1-2
б)
Рис. 3. Схема обработки участка детали с постоянным сечением профиля; а - консольный участок с защемленным концом; б - участок с концевыми опорами 1( 1-1 -защемленный конец); 2 - деталь; 3 - электрод - щетка; 1-2
- опора для детали; 4 - рабочая среда; VР с - скорость про-
р с ■
качки рабочей среды; I - длина участка с нежесткой геометрией
3. Происходит съем (рис.4) припуска X за счет анодного растворения материала
&
Рис. 4. Анодное растворение припуска при выходе пучка проволоки 3 из зоны обработки; Sk - межэлектродный зазор в конце анодного удаления припуска, А § - припуск (X ), удаляемый анодным растворением
Припуск за один оборот электрода-щетки (Ъ0) можно рассчитать по формуле
X о = к 0 ^ (1)
где к0 - коэффициент, учитывающий долю
съема припуска за счет анодного растворения в момент подхода пучка к заготовке (к о=1,5-1,6);
- съем материала за счет электроэрозионного удаления припуска единичным пучком; п0 - количество пучков в электроде-щетке.
4. Кроме рассмотренных воздействий импульса, механической зачистки, анодного растворения, имеет место импульсное воздействие за счет удара концов проволоки в момент ее соприкосновения с заготовкой после разряда (рис.5, рис.6).
\
\
\ к
*
1
а)
М
Пр
а./././'
б)
Рис. 5. Прижим проволоки ( Пр) при жесткой детали (П - частота вращения электрода-щетки; 1-длина консольной части заготовки): а - схема набегания проволоки; б - положение концов проволоки в зоне обработки
П
а)
Ли
/ /
/
/
б)
Рис. 6. Положение нежесткой проволоки в пучке при обработке деталей малой жесткости с прижимом проволоки к заготовке: а - при малой окружной скорости; б -при выпрямленной проволоке (1) за счет центробежных сил, 2 - изгиб концов проволоки
При достаточной жесткости пучка проволоки (например за счет центробежных сил) прижим концов проволоки (Пр на рис.5) может быть равным снимаемому припуску Ъ и в конце обработки (чистовой этап формообразования) величина прижима будет выбираться по значению припуска.
Нежесткая заготовка (или ее участки) (рис.6) под действием силы разряда (как правило, всего пучка) может вызвать изгиб проволоки и всего пучка (рис.7) с радиусом Г, что может превысить величину прижима, вызвать автоколебания и нарушить процесс обработки электрод ом-щеткой.
Рис. 7. Схема обработки нежесткой детали; Г - радиус изгиба нежесткой детали за счет импульсных разрядов с силой Fl
Величина изгиба зависит от схемы установки участка заготовки: при наличии опоры 12 (рис.3, б) наибольший прогиб будет при расположении инструмента на середине участка
При расчете прижима может учитываться несколько вариантов базирования заготовки в зоне обработки:
1. За счет замены в электроде-щетке пучков проволоки на более мягкие и смягчения режимов уменьшить силу Р 1 (рис.7) до величины, при которой деталь не изгибается, и в силу этого прижим остается стабильным в течение всего срока обработки.
2. Введением дополнительных опор типа, приведенных на рис.3.
3. Поворотом детали в положение, показанное на рис.8.
Рис. 8. Обработка участка нежесткой детали при
прижимах и силе 1, вызывающих ее изгиб радиусом Г, ОС - угол поворота места обработки заготовки для выравнивания прижима пучка к заготовке
Как видно из рис.8 стрела прогиба становится вертикальной, а ее величина может не превышать размера прижима.
4. Изменением траектории перемещения оси электрода - щетки параллельно контуру зоны обработки заготовки с поддержанием постоянства прижима, что обеспечивает стабилизацию процесса снятия припуска и точность, требуемую для чистовой обработки. Этот вариант не нашел практического использования из-за высокой сложности управления процессом и отсутствия оборудования для его реализации. Но его следует рассмотреть как перспективный при чистовой обработке деталей электродом-щеткой с учетом возможности изменения геометрии поверхности за счет изгиба и крутильных воздействий. Такой вариант был рассмотрен соискателем и учеными Воронежской научной школы на уровне изобретений новых способов и устройств.
Сила Р0 , действующая на обрабатываемую поверхность заготовки, включает силу разряда пучка (р) и силу воздействия концов проволоки в малых соприкосновениях с зоной обработки за счет наличия прижима (Р2)
Р = Р + Р (2)
По [1] сила р зависит от напряженности магнитного поля и магнитной постоянной рабочей среды ( /ис ) в межэлектродном зазоре
(Sо) (рис.1)
F = kф
r¿ V
V S о J
Ll d2 n ,
r*c n n'
(3)
где кф - размерный коэффициент, учитывающий условия формирования импульса (характеристики инструмента, режимы и др.);
Ii - максимальная сила тока в импульсе на
единичную проволоку, А; Ис - магнитная постоянная (Гн/мм). Зависит от состава рабочей среды, геометрии электродов и других факторов. Для воздушной среды по [1] магнитная постоянная составляет 4п х107 Гн/м
nn - количество проволоки в пучке.
При чистовой обработке главным требованием становится получение качественной поверхности, поэтому выбирают для пучка мягкую проволоку малого диаметра. При этом, строго оценивая процесс разряда, следует указать, что импульсное воздействие на проволоку в момент подхода ее к заготовке смягчает удар. Величина силы удара (F2) становится незначительной и может не учитываться в расчетах.
Сила F , действующая на проволоку (рис.1), зависит от ее характеристик и ограничена устойчивостью проволоки, которая может быть рассчитана по [2] с использованием формулы Эйлера, где критическое значение силы F
кр1
FKp1 = Vy
El
l
(4)
где г]у - коэффициент устойчивости проволоки. Для выбранной схемы действия сил разряда по [2] цу =2,4;
Е - модуль продольной упругости, МПа;
/шт - осевой момент инерции поперечного сечения проволоки.
1п -длина вылета пучка проволоки, мм
При изгибе с кручением пучка при обработке поверхности с неравномерным припуском
j = <
mmn 32
Q,1d;
(5)
Тогда критическая сила, действующая на пучок составляет
Ed4
FKp = 0,24 EE^ П
Для поддержания расчетной величины прижима Пр (рис.5) следует соблюдать условие
Fl < Fкp (7)
При нежесткой детали при постоянном сечении (ахЬ) места обработки заготовки угол поворота (а) в момент действия силы разряда
на периферии пучка проволоки (¡п) электрода-щетки составляет [2] (рис.8) F1¡n2
а =
2EJ „
(8)
где J3 - момент инерции при изгибе заготовки, определяется через геометрические размеры сечения.
Более сложные формы нежестких заготовок рассматриваются в справочной и научной литературе, в том числе в [3;4].
Особенности работы инструмента при чистовой обработке деталей с ограниченной жесткостью
Электрод-щетка является инструментом с непрофилированной рабочей поверхностью, которая в определенных пределах повторяет форму обрабатываемого участка. Однако размерная чистовая обработка таким инструментом требует создания его рабочей части с учетом геометрии заготовки под чистовую обработку и возможностей оборудования (например, по угловой частоте вращения шпинделя и наличию узлов автоматического поддержания величины прижима).
В производстве чаще применяют базирование заготовок (в том числе деталей нежесткой конструкции), при котором возможно удалить припуск без изменения положения зоны обработки. Но для этого необходимо, чтобы инструмент был рассчитан под определенный вид изделий, а окончательные условия обработки обеспечиваются путем выбора технологических режимов (электрических, механических, гидравлических параметров процесса).
Заключение
Разработанный механизм и его математическое описание позволяют научно обосновать параметры инструмента (электрода-щетки), создать методику проектирования технологического процесса чистовой обработки деталей различной жесткости и сложности геометрического профиля, раскрыть возможности применения разработанного метода для изготовления изделий, работающих при различных условиях эксплуатации, включая объекты авиационно-космической техники.
Литература
1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов в 2-х томах. Т.2 / под ред. В.П. Смо-ленцева. М.: Высшая школа, 1983. 208 с.
2. Справочник металлиста в 5-ти томах. Т.1 / под ред. С.А. Чернавского, В.Ф. Рещикова. М.: Машиностроение, 1976. 768 с.
3. Часовских А.И., Управление производством при чрезвычайных обстоятельствах /А.И. Часовских, В.П. Смо-ленцев, В.В. Агеев.- Воронеж: ВГТУ, 1999. 150с.
4. Кириллов, О.Н. Механизм контактной комбинированной размерной высокоскоростной обработки непро-филированным электродом [Текст] / О.Н. Кириллов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 9. - С. 91-94.
Воронежский государственный технический университет
MECHANISM OF FAIR PROCESSING BY THE ELECTRODE BRUSH
A.Yu. Ryazantsev, O.N. Kirillov
In article the mechanism of removal of an allowance is considered by an electrode brush at the combined fair processing of details with limited rigidity. Power impacts on the processed preparation that allows to operate the processing modes providing the demanded processing accuracy depending on rigidity of a profile of a detail in a processing zone are theoretically proved. Specifics of use of the tool at fair processing of details with limited rigidity are opened
Key words: the combined processing, the process mechanism, electrode brush, fair processing, limited rigidity
